EP3265838A1 - Verfahren zum richtungsermitteln einer wasserschallquelle rechnerprogrammprodukt rechner oder sonar sowie wasserfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum richtungsermitteln einer wasserschallquelle rechnerprogrammprodukt rechner oder sonar sowie wasserfahrzeug

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EP3265838A1
EP3265838A1 EP16711964.3A EP16711964A EP3265838A1 EP 3265838 A1 EP3265838 A1 EP 3265838A1 EP 16711964 A EP16711964 A EP 16711964A EP 3265838 A1 EP3265838 A1 EP 3265838A1
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EP
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sonar
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maximum
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Werner Loges
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    • G01S3/80—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G01S3/802—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/805—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of real or effective orientation of directivity characteristics of a transducer or transducer system to give a desired condition of signal derived from that transducer or transducer system, e.g. to give a maximum or minimum signal
    • G—PHYSICS
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    • G01S3/7803—Means for monitoring or calibrating

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the direction of a water sound source, which emits a water sound signal, by means of a
  • Hydrophone assembly which forms a linear antenna or a virtual linear antenna, a computer program product and a computer and a sonar and a watercraft.
  • Determining an object from an underwater vehicle is usually a difficult task, since both the direction (bearing) and the distance must be determined. The further away the object to be defective is, the greater any errors in the determination of the directional angle (bearing angle) have an effect.
  • the linear antenna is gradually pivoted electronically or computer technology and determines the incoming signal strength.
  • the angle with the highest beamformed signal strength corresponds to the direction angle, on the basis of which, for example, a subsequent distance determination is carried out.
  • the object of the invention is to improve the state of the art.
  • the object is achieved by a method for determining the direction of a water sound source, which emits a water sound signal, by means of a
  • Hydrophone assembly forming a linear antenna or a virtual linear antenna, the method comprising the steps of:
  • a fast method can be provided, which within a measuring interval (measuring time) provides improved direction indication (bearing).
  • the number of hydrophones and / or the computational effort can be reduced or increased according to the step size angle.
  • this is inventively achieved in that the mathematical fitting method and the determination of the associated maximum of the fitting function can be done very quickly. In addition, this in turn leads to an improvement in the
  • direction to the underwater sound source is determined at a reference point, for example the center point and / or pivot point of the linear antenna Direction also uses the term bearing. In the present case direction and bearing are synonymous to understand.
  • a "waterborne sound source” is, in particular, a natural or artificial object that emits sound waves from a localized area, such as a ship's propulsion and / or a point source, and a water sound source is also an artificial or natural object. which one previously sent
  • Underwater sound signal reflected For example, an underwater vehicle placed on the “lurking”, which is “pinged” by an active sonar of another watercraft by means of water sound and thus reflects the water sound signal, in the present case understood as a water sound source.
  • a "water sound signal” is in particular an acoustic transient signal in the water, with a time duration of 10 ms to 200 ms, which may extend in particular in the range of 2 Hz to several 100 kHz, with a waveform that modulates frequency is and / or has a constant wavelength.
  • a “hydrophone arrangement” comprises at least two piezoceramics in which the water sound signal causes a change in voltage, which is signal-conditioned
  • Such a hydrophone arrangement in particular between 50 and 300 hydrophones.
  • a "linear antenna” is given in particular if the individual hydrophones of the hydrophone arrangement are arranged along a straight line, for example in the case of a side-scan sonar, but also curved hydrophone arrangements or, for example
  • Hydrophone arrangements with a cylinder base can form a linear antenna, which in the present case will then be referred to as a virtual linear antenna, since these are converted into a linear antenna by signal technology and / or computation.
  • a virtual linear antenna since these are converted into a linear antenna by signal technology and / or computation.
  • a "first measuring time ti" comprises a period of time or a time interval so that the antenna pivot analysis can be carried out During this first measuring time, in particular the voltage applied to each hydrophone due to the water sound signal is determined by measurement. which changes over the measuring time.
  • An "electronic antenna pivotal analysis” is a different type of deceleration, technically and / or electronically, for each individual hydrophone, so that the linear antenna is rotated or curved electronically or computationally (see Manfred Siegel, Introduction) in the physics and technology of the underwater sound systems (ISBN 3-936799-28-8) page 5-41 to page 5-60, the related content is part of the present application.
  • the turning or bending takes place in particular in that the individual hydrophones are "read out” with a different time offset, so that there are “time-delayed” hydrophones.
  • the "sum signal S" is in particular the accumulated signal of all (time-delayed) hydrophones.
  • the “rotation angle” results from the electronically and / or computationally rotated linear antenna or virtual linear antenna around a pivot point
  • These 90 sum signal values S with the associated Rotation angles are then stored in particular in the "measurement series S ()".
  • the directly adjacent sum signals are included around the maximum sum signal S max ( max ) in the matching series.
  • the sum signals are used symmetrically about the maximum sum signal S max ( max ).
  • the fitting measuring series S F i t (c) has at least three measured values
  • the fitting measuring series 5, 7, 9, ... have sum signals.
  • the metrologically determined maximum rotation angle does not coincide with a maximum rotation angle of a local minimum of the mathematical fitting function, but has surprisingly been found that the local or global maximum often a much correct rotation angle for the direction determination of a
  • the method or sub-steps of the method can be performed at a second measuring time t2, at a third measuring time t3f at a fourth measuring time and / or at further times t
  • the corresponding measurement series S () t or the determined directions of the water sound source are averaged.
  • This approach provides excellent results especially in the case where the water sound source does not move.
  • the corresponding measurement times result, in particular, from the respective repetition rate with which the hydrophone arrangement is interrogated electronically or computationally, or a superimposed window function which is superimposed on the respective measurement curves of the hydrophones as filters.
  • the further sum signals are adjacent sum signals to
  • the mathematical fitting function can be a polynomial function, a Gaussian function, a Lorentz function or a Voigt function.
  • both the Gaussian function and the Lorentz function describe bell curves, while, for example, the Voigt function is in particular a convolution of the Gaussian and Lorentz functions, in which, for example Widening effects due to the water and its properties on the underwater sound can be compensated.
  • the object is achieved by a computer program product which is set up in such a way that the method described above can be imprinted on a computer or a sonar.
  • a software can be provided on a data carrier, which instructs a computer or a sonar instructions that the inventive method described above is feasible.
  • existing computer systems and / or sonars can be adapted so that they perform the process.
  • the object is achieved by a computer which is set up such that a previously described method can be carried out.
  • the object is also achieved by a sonar which is set up in such a way that a previously described method is carried out or which has a computer as described above.
  • Figure 2 is a highly schematic representation of a computational turning of
  • FIG. 3 shows a functional relationship between a cumulative signal strength S and a rotation angle and three associated measured values and the determined mathematical fitting function as well as a global maximum associated with the mathematical fitting function and a rotation angle derivable therefrom.
  • a side view type antenna 101 is disposed on a submarine 111.
  • the side view monitor antenna 101 includes individual hydrophones 103 having a piezoceramic. By impressed by a water sound signal pressure differences on the piezoceramics, a voltage is generated, which is processed by metrology and evaluated. This preparation and evaluation takes place almost continuously. This results in a hydrophone over time a quasi-continuous
  • the increment for turning ⁇ 2 °.
  • a cumulative sum signal is formed across all the hydrophones 103 for each angle formed thereby.
  • the rotation takes place in the direction of rotation 225.
  • the rotation takes place about the pivot point 227, which in this case the center of the hydrophones, in this case the middle hydrophone with the number 76, is.
  • the maximum oifi t , max is determined for the determined mathematical fitting function 341. This deviates somewhat from the value ( max ) determined by the rotation of the side view sonar.
  • the thus determined maximum value oifi t , max is a marked improvement to the angle value max and indicates the direction from the pivot point 227 to the point of the sound source 229, so that a bearing takes place.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Richtungsermitteln einer Wasserschallquelle, welche ein Wasserschallsignal aussendet, mittels einer Hydrophonanordnung, welche eine Linearantenne oder eine virtuelle Linearantenne bildet, ein Rechnerprogrammprodukt und einen Rechner sowie ein Sonar und ein Wasserfahrzeug.

Description

Verfahren zum Richtungsermitteln einer Wasserschallquelle, Rechnerprogrammprodukt, Rechner oder Sonar sowie
Wasserfahrzeug
[Ol] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Richtungsermitteln einer Wasserschallquelle, welche ein Wasserschallsignal aussendet, mittels einer
Hydrophonanordnung, welche eine Linearantenne oder eine virtuelle Linearantenne bildet, ein Rechnerprogrammprodukt und einen Rechner sowie ein Sonar und ein Wasserfahrzeug.
[02] Das Bestimmen eines Objektes von einem Unterwasserfahrzeug aus ist regelmäßig ein schwieriges Unterfangen, da sowohl die Richtung (Peilung) als auch die Entfernung bestimmt werden müssen. Je weiter entfernt das zu defektierende Objekt ist, desto größer wirken sich etwaige Fehler in der Bestimmung des Richtungswinkels (Peilungswinkels) aus.
[03] Insbesondere bei Seitensichtsonaren (Passives Flank Array Sonar oder Aktives Side Scan Sonar), welche beispielsweise eine Linearantenne bilden, wird schrittweise die Linearantenne elektronisch oder rechnertechnisch geschwenkt und die jeweils ankommende Signalstärke bestimmt. Der Winkel mit der höchsten beamgeformten Signalstärke entspricht dem Richtungswinkel, anhand dessen beispielsweise eine nachgelagerte Entfernungsbestimmung erfolgt .
[04] Um den Fehler beim Bestimmen der Richtung zu verringern, kann das elektronische Schwenken der Linearantenne mittels kleinerer Schrittweiten erfolgen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die entsprechenden Rechenaufwände erheblich steigen und ein Bestimmen nicht in akzeptabler Zeit erfolgt.
[05] Mithin muss ein Verfahren bereitgestellt werden, mittels derer innerhalb zweier Messzeiträume eine möglichst genaue Richtung (Peilung) ermittelt werden kann.
[06] Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern .
[07] Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Richtungsermitteln einer Wasserschallquelle, welche ein Wasserschallsignal aussendet, mittels einer
Hydrophonanordnung, welche eine Linearantenne oder eine virtuelle Linearantenne bildet, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Ermitteln des an der Hydrophonanordnung anliegenden Wasserschallsignals zu einer ersten Messzeit ti,
- Durchführen einer elektronischen Antennenschwenkanalyse , welche ein Summensignal S der Linearantenne oder der virtuellen Linearantenne zu jedem Drehwinkel η= ο+ηΔ , mit o als Anfangswinkel, Δ als Schrittweitenwinkel und n=0 , 1 , 2 , 3 , 4..., bestimmt, sodass eine Messreihe S( ) vorliegt,
- Bestimmen eines Maximumsummensignals Smax( max), mit max als Maximumdrehwinkel, der Messreihe S( ), - Bestimmen einer Anpassmessreihe SFit(c , welche das Maximumsummensignal Smax( max) und wenigstens zwei weitere Summensignale S( n)m, mit der Summenanzahl m=2, 3, 4..., aufweist,
- Bestimmen einer mathematischen Anpassfunktion fFit(c<Fit) zu der Anpassmessreihe SFit(c mittels einer mathematischen Ausgleichsrechnung und
- Bestimmen eines Anpassfunktionsmaximums fFit, Max («Fit, Max) der mathematischen Anpassfunktion fFit(oiFit) f wobei mittels aFit,Max die Richtung der Wasserschallquelle bestimmbar ist.
[08] Somit kann ein schnelles Verfahren bereitgestellt werden, welches innerhalb eines Messintervalls (Messzeit) eine verbesserte Richtungsangabe (Peilung) liefert. Zudem kann die Anzahl der Hydrophone und/oder der Rechenaufwand verringert oder entsprechend der Schrittweitenwinkel vergrößert werden. Insbesondere wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das mathematische Anpassverfahren und die Ermittlung des zugehörigen Maximums der Anpassfunktion sehr schnell erfolgen können. Zudem führt dies wiederrum zu einer Verbesserung der
Richtungsermittlung .
[09] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
[10] Beim „Richtungsermitteln" wird zu einem Bezugspunkt, zum Beispiel der Mittelpunkt und/oder Drehpunkt der Linearantenne, die Richtung zur Unterwasserschallquelle bestimmt. In diesem Zusammenhang wird statt des Begriffes Richtung auch der Begriff Peilung verwendet. Vorliegend sind Richtung sowie Peilung synonym zu verstehen.
[11] Eine „Wasserschallquelle" ist insbesondere ein natürlicher oder künstlicher Gegenstand, welcher Schallwellen aussendet von einem lokalisierten Bereich. Beispielsweise kann es sich um den Antrieb eines Schiffes handeln und/oder ein Punktquelle. Zudem ist eine Wasserschallquelle auch ein künstlicher oder natürlicher Gegenstand, welcher ein zuvor ausgesandtes
Unterwasserschallsignal reflektiert. Beispielsweise wird ein sich auf die „Lauer" gelegtes Unterwasserfahrzeug, welches durch ein aktives Sonar eines weiteren Wasserfahrzeugs mittels Wasserschall „angepingt" wird und somit das Wasserschallsignal reflektiert, vorliegend als Wasserschallquelle verstanden.
[12] Ein „Wasserschallsignal" ist insbesondere ein akustisches Transient-Signal im Wasser, mit ein Zeit Dauer von 10 ms bis 200 ms, welches sich insbesondere im Bereich von 2 Hz bis mehreren 100 kHz erstrecken kann, mit einer Signalform, welche Frequenz moduliert ist und/oder eine konstante Wellenlänge aufweist.
[13] Eine „Hydrophonanordnung" umfasst insbesondere wenigstens zwei Piezokeramiken, bei welchen das Wasserschallsignal eine Spannungsänderung hervorruft, welche signaltechnisch aufbereitet wird. Je größer die Anzahl der Hydrophone ist, desto besser können Frequenzen und/oder Richtungen aufgelöst werden. Vorliegend umfasst eine derartige Hydrophonanordnung insbesondere zwischen 50 und 300 Hydrophone.
[14] Eine „Linearantenne" ist insbesondere dann gegeben, wenn entlang einer Geraden die einzelnen Hydrophone der Hydrophonanordnung angeordnet sind. Dies ist beispielsweise bei einem Seitensichtsonar gegeben. Aber auch gekrümmte Hydrophonanordnungen oder beispielsweise
Hydrophonanordnungen mit einer Zylinderbasis können eine Linearantenne bilden, welche dann vorliegend dann als virtuelle Linearantenne bezeichnet werden, da diese signaltechnisch und/oder rechentechnisch in eine Linearantenne überführt werden. Siehe hierzu Manfred Siegel; Einführung in die Physik und Technik der Unterwasserschallsysteme (ISBN 3-936799-28-8) Seite 5-52 bis Seite 5-60, dessen diesbezüglicher Inhalt Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ist.
[15] Eine „erste Messzeit ti" umfasst einen Zeitraum oder ein Zeitintervall , sodass die Antennenschwenkanalyse durchgeführt werden kann. Während dieser ersten Messzeit wird insbesondere die an jedem Hydrophon aufgrund des Wasserschallsignals anliegende Spannung messtechnisch bestimmt. Mithin liegt über der Messzeit ein Messsignal an, welches sich über die Messzeit hinweg ändert.
[16] Eine „elektronische Antennenschwenkanalyse" ist eine rechentechnisch und/oder elektronisch für jedes einzelne Hydrophon anders geartete Verzögerung, sodass die Linearantenne elektronisch oder rechentechnisch gedreht oder gekrümmt wird. Siehe hierzu Manfred Siegel; Einführung in die Physik und Technik der Unterwasserschallsysteme (ISBN 3-936799-28-8) Seite 5-41 bis Seite 5-60, dessen diesbezüglicher Inhalt Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ist. Das Drehen oder Krümmen erfolgt insbesondere dadurch, dass die einzelnen Hydrophone mit einem unterschiedlichen Zeitversatz „ausgelesen" werden, sodass „zeitverzögerte" Hydrophone vorliegen.
[17] Das „Summensignal S" ist insbesondere das kumulierte Signal sämtlicher (zeitverzögerter) Hydrophone. Das Summensignal kann sowohl für eine einzelne Frequenz als auch für einen Frequenzintervall bestimmt werden. Weiterhin können schlicht die Signalpegel, welche an den Hydrophonen anliegen aufaddiert werden. Mithin ist das Summensignal ein Maß für die an der Linearantenne oder der virtuellen Linearantenne anliegende Schallenergie. Das Summensignal wird zu jedem einzelnen Drehwinkel αη=αο+ηΔα bestimmt, sodass zu jedem Drehwinkel n jeweils das Summensignal S vorliegt .
[18] Der „Drehwinkel" ergibt sich durch die elektronisch und/oder rechentechnisch gedrehte Linearantenne oder virtuelle Linearantenne um einen Drehpunkt. Insbesondere wird jeweils die Antenne mit einem Schrittweitenwinkel Δ =1800 /Hydrophononen_Anzahl/k ( Gradmaß ; Vollkreis 360°) gedreht (k=3,5,7... ist der Feinpeilungsfaktor ) , (es gilt beispielsweise für eine Antenne mit 18 Hydrophonen und k=5, dass Δ =2° ist), sodass insgesamt bei einem Winkelausschnitt von 180° 90 Summensignalwinkel S bestimmt werden. Diese 90 Summensignalwerte S mit den zugehörigen Drehwinkeln werden dann insbesondere in der „Messreihe S ( ) " abgelegt .
[19] Um das „Maximumsummensignal Smax ( max) " zu bestimmen, wird insbesondere das betragsmäßig größte Summensignal S aus der Messreihe S( ) ermittelt. Dies kann beispielsweise mit einem sogenannten Quicksort- oder Bubblesortalgorithmus erfolgen. Der Maximumdrehwinkel max ist dann der Winkel des ermittelten Maximumsignals Smax.
[20] Um die „Anpassmessreihe SFit(c " zu bestimmen, werden zu den Maximumsummensignal Smax( max) zusätzlich wenigstens zwei weitere Summensignale S( n)m ermittelt. Der Index m gibt dabei die Anzahl der zusätzlich neben dem Maximumsummensignal Smax( max) in der Anpassreihe
SFit (oi) vorliegenden weiteren Summensignale an.
[21] Um ein besonders gutes Ergebnis zu erreichen, sind insbesondere die direkt benachbarten Summensignale um das Maximumsummensignal Smax( max)in der Anpassreihe mit umfasst. Insbesondere werden die Summensignale symmetrisch um das Maximumsummensignal Smax ( max) verwendet . Somit weist die Anpassmessreihe SFit(c wenigstens drei Messwerte auf. Im Fall der symmetrischen Verwendung weiterer Summensignale, weist die Anpassmessreihe 5, 7, 9, ... Summensignale auf.
[22] Zu den in der Anpassmessreihe SFit(c abgelegten Messwerten inklusive dem Maximumsummensignal Smax( max) wird eine „mathematischen Anpassfunktion SFit(c bestimmt. Das Bestimmen einer derartigen mathematischen Anpassfunktion wird auch als Regression bezeichnet. Beispielsweise wird die Annahme getroffen, dass drei in der Anpassmessreihe abgelegte Messwerte durch ein Polynom zweiter Ordnung ( ao+aix+a2 2 ) beschreibbar sind. Somit werden die Parameter des Polynoms zweiter Ordnung derart festgelegt, dass im Idealfall alle drei Punkte auf der bestimmten mathematischen Anpassfunktion liegen.
[23] Insbesondere kann sich dabei ergeben, dass der messtechnisch bestimmte Maximumdrehwinkel nicht mit einem Maximumdrehwinkel eines lokalen Minimums der mathematischen Anpassfunktion übereinsteinstimmt , jedoch hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass das lokale oder globale Maximum häufig ein wesentlich korrekteren Drehwinkel für die Richtungsbestimmung einer
Unterwasserschallquelle ergibt. Somit wird insbesondere numerisch oder analytisch ein Anpassmessfunktionmaximum L Fit, Max («Fit, ax) der mathematischen Anpassfunktion fF t(aF t) bestimmt. Insbesondere ist die Richtung der
Wasserschallquelle orthogonal zu einer Linearantenne oder virtuellen Linearantenne mit dem durch die Anpassfunktion bestimmten Drehwinkel c<Fit,Max , wobei die Orthogonale dabei insbesondere den Drehpunkt der Linearantenne oder virtuellen Linearantenne schneidet.
[24] Um die Qualität und somit die Verlässlichkeit der Richtung zu der Wasserschallquelle zu verbessern, kann das Verfahren oder können Teilschritte des Verfahrens zu einer zweiten Messzeit t2, zu einer dritten Messzeit t3f zu einer vierten Messzeit und/oder zu weiteren Zeitpunkten t durchgeführt werden, wobei dabei die entsprechenden Messreihen S( )t oder die ermittelten Richtungen der Wasserschallquelle gemittelt werden. [25] Diese Herangehensweise liefert insbesondere in dem Fall hervorragende Ergebnisse, wenn sich die Wasserschallquelle nicht bewegt. Die entsprechenden Messzeiten ergeben sich insbesondere aus der jeweiligen Repetitionsrate, mit der die Hydrophonanordnung elektronisch oder rechentechnisch abgefragt wird oder einer überlagerten Fensterfunktion, welche über die jeweiligen Messkurven der Hydrophone als Filter gelegt werden.
[26] Damit am Ende des Verfahrens auch die Richtung zu der Wasserschallquelle bestimmt werden kann, werden in dieser Ausführungsform auch die übrigen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt.
[27] In einer weiteren Ausführungsform sind die weiteren Summensignale benachbarte Summensignale zum
Maximumsummensignal Smax( max).
[28] Dies ermöglicht eine hohe Messwertdichte um das Maximumsummensignal, sodass durch die mathematische Anpassfunktion der Bereich um das Maximumsignal besonders gut abgebildet wird.
[29] Um antennenspezifische Eigenschaften ausgleichen zu können, kann die mathematische Anpassfunktion eine Polynomfunktion, eine Gaußfunktion, eine Lorent zfunktion oder eine Voigtfunktion sein.
[30] Sowohl die Gaußfuntkion als auch die Lorent zfunktion beschreiben Glockenkurven, während beispielsweise die Voigtfunktion insbesondere eine Faltung aus der Gauß- und Lorent zfunktion ist, bei der beispielsweise Verbreiterungseffekte aufgrund des Wassers und seiner Eigenschaften auf den Unterwasserschall ausgeglichen werden können .
[31] In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Rechnerprogrammprodukt, welches derart eingerichtet ist, dass einem Rechner oder einem Sonar das zuvor beschriebene Verfahren aufprägbar ist.
[32] Somit kann eine Software auf einem Datenträger bereitgestellt werden, welche einem Rechner oder einem Sonar Instruktionen aufprägt, dass das eingangs beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Somit können also bestehende Rechnersysteme und/oder Sonare angepasst werden, sodass diese das Verfahren durchführen.
[33] In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe durch einen Rechner gelöst, welcher derart eingerichtet ist, dass ein zuvor beschriebenes Verfahren durchführbar ist.
[34] Auch wird in einem weiteren Aspekt die Aufgabe gelöst durch ein Sonar, welches derart eingerichtet, dass ein zuvor beschriebenes Verfahren durchgeführt wird oder welches ein zuvor beschriebenen Rechner aufweist.
[35] Abschließend wird die Aufgabe gelöst durch ein Wasserfahrzeug, welches ein zuvor beschriebenes Sonar aufweist. Bei derartigen Wasserfahrzeugen kann es sich insbesondere um Schiffe oder U-Boote handeln.
[36] Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein stark schematisch dargestelltes
Seitensichtsonar (Flank Array) mit 151 einzelnen Hydrophonen, welches an ein U- Boot angeordnet ist,
Figur 2 eine stark schematische Darstellung eines rechentechnischen Drehens des
Seitensichtsonars aus Figur 1 und die durch eine Wasserschallquelle ausgesandten UnterwasserschallSignale sowie
Figur 3 einen funktionellen Zusammenhang zwischen einer kumulierten Signalstärke S und einem Drehwinkel sowie drei zugehörige Messwerte und die ermittelte mathematische Anpassfunktion sowie ein zu der mathematischen Anpassfunktion zugehöriges globales Maximum und daraus ableitbarer Drehwinkel.
[37] An einem U-Boot 111 ist eine Seitensichtsonarantenne 101 angeordnet. Die Seitensichtsonarantenne 101 umfasst einzelne Hydrophone 103, welche eine Piezokeramik aufweisen. Durch die durch ein Wasserschallsignal aufgeprägten Druckunterschiede an den Piezokeramiken wird eine Spannung erzeugt, welche messtechnisch aufbereitet und ausgewertet wird. Diese Aufbereitung und Auswertung erfolgt quasi kontinuierlich. So ergibt sich an einem Hydrophon über die Zeit ein quasi kontinuierlicher
Signalspannungsverlauf. Diese jeweiligen Spannungsverläufe werden mit einem zeitlichen Fensterfilter gefaltet, sodass ein Messintervall vorliegt.
[38] Die einzelnen Hydrophonsignale werden innerhalb des zeitlichen Filterfensters jeweils zu unterschiedlichen Zeiten ausgewertet, sodass sich quasi ein rechentechnisches Drehen der Seitensichtsonarantenne 101 ergibt.
[39] Vorliegend beträgt die Schrittweite für das Drehen Δ =2°. Zudem wird für jeden sich dadurch ausbildenden Winkel ein kumuliertes Summensignal über sämtliche Hydrophone 103 gebildet. Das Drehen erfolgt in Drehrichtung 225. Die Drehung erfolgt dabei um den Drehpunkt 227, welcher vorliegend die Mitte der Hydrophone, vorliegend das mittlere Hydrophon mit der Zählnummer 76, ist. Sobald die (gedrehte) Seitensichtsonarantenne 223 derart gedreht (amax) ist, dass es im Wesentlichen parallel zu den Ausbreitungswellen 231 des Schiffschraubensignals 229 ausgesandt ist, ergibt sich das maximale Summensignal Smax.
[40] Die direkten Summensignale um das ermittelte maximale Summensignal Smax beim Drehwinkel max werden extrahiert und mittels eines Polynoms zweiter Ordnung mathematisch angefittet .
[41] Sowohl die extrahierten Messwerte 333 mit den zugehörigen Drehwinkeln und eine graphische Repräsentanz der ermittelten angepassten Funktion 341 sind in der Figur 3 dargestellt. [42] Dabei ist in dem Graphen auf der unabhängigen Achse der Drehwinkel und auf der abhängigen Achse das Summensignal S aufgezeigt.
[43] Zu der ermittelten mathematischen Anpassfunktion 341 wird das Maximum oifit,max bestimmt. Dieses weicht etwas von dem aufgrund des Drehens des Seitensichtsonars ermittelten Werts ( max) ab. Der somit ermittelte Maximalwert oifit,max ist eine merkliche Verbesserung zu dem Winkelwert max und gibt die Richtung vom Drehpunkt 227 zum Punkt der Schallquelle 229 an, sodass eine Peilung erfolgt.
Bezugs zeichenliste
101 Seitensichtsonarantenne
103 Hydrophone
111 U-Boot
221/223 elektronisch zur Antenne 101 geschwenkte Antenne
225 Drehrichtung
227 Drehpunkt
229 Unterwasserschallquellen
231 Unterwasserschallwellen
333 Messwerte
341 graphischer Verlauf einer Anpassfunktion

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Richtungsermitteln einer
WasserSchallquelle, welche ein Wasserschallsignal aussendet, mittels einer Hydrophonanordnung, welche eine Linearantenne oder eine virtuelle Linearantenne bildet, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Ermitteln des an der Hydrophonanordnung anliegenden Wasserschallsignals zu einer ersten Messzeit ti,
- Durchführen einer elektronischen Antennenschwenkanalyse , welche ein Summensignal S der Linearantenne oder der virtuellen Linearantenne zu jedem Drehwinkel αη=αο+ηΔα, mit o als Anfangswinkel, Δ als Schrittweitenwinkel und n=0 , 1 , 2 , 3 , 4..., bestimmt, sodass eine Messreihe S( ) vorliegt,
- Bestimmen eines Maximumsummensignals Smax( max), mit max als Maximumdrehwinkel, der Messreihe S( ),
- Bestimmen einer Anpassmessreihe SFit(c , welche das Maximumsummensignal Smax( max) und wenigstens zwei weitere Summensignale S( n)m, mit der Summenanzahl m=2, 3, 4..., aufweist,
- Bestimmen einer mathematischen Anpassfunktion fFit(aFit) zu der Anpassmessreihe SFit(c mittels einer mathematischen Ausgleichsrechnung und
- Bestimmen eines Anpassfunktionsmaximums fFit, Max («Fit, Max) der mathematischen Anpassfunktion fFit(oiFit) f wobei mittels aFit,Max die Richtung der Wasserschallquelle bestimmbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren oder Teilschritte des Verfahrens zu einer zweiten Messzeit t2, zu einer dritten Messzeit t3f zu einer vierten Messzeit t4 und/oder zu weiteren Zeitpunkten t durchgeführt wird oder werden und die entsprechenden Messreihen S( )t oder die ermittelten Richtungen der Wasserschallquelle gemittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die übrigen Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1 durchgeführt werden.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Summensignale benachbarte Summensignalwerte zum Maximumsummensignal
Smax ( amax ) Sind.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dass die mathematische Anpassfunktion eine Polynomfunktion, eine Gaußfunktion, eine Lorent zfunktion oder eine Voigtfunktion ist.
6. Rechnerprogrammprodukt, welches derart eingerichtet ist, dass einem Rechner oder einem Sonar das Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche aufprägbar ist.
7. Rechner, welcher derart eingerichtet ist, dass das Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 durchführbar ist.
8. Sonar, insbesondere passives Sonar, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonar derart eingerichtet ist, dass das Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 durchführbar ist oder das Sonar einen Rechner nach Anspruch 7 aufweist.
9. Wasserfahrzeug, welches ein Sonar nach Anspruch 8 aufweist .
EP16711964.3A 2015-03-06 2016-02-09 Verfahren zum richtungsermitteln einer wasserschallquelle rechnerprogrammprodukt rechner oder sonar sowie wasserfahrzeug Active EP3265838B1 (de)

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